2016 Fiscal Year Research-status Report
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16K05899
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
安田 剛 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (30380710)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 有機半導体 / 太陽電池 / 有機EL / 共役高分子 / バルクヘテロジャンクション / Charge Transfer |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機薄膜太陽電池(OPV)の動作原理は、①光吸収による励起子生成、②ドナー/アクセプター界面での励起子の解離、電荷生成、③電極への電荷輸送、に大別できる。現在のOPVでは②の向上を目指し、ドナー(D)となる共役高分子とアクセプター(A)となるフラーレン誘導体(PCBM)との混合(バルクヘテロジャンクション(BHJ))構造が主流である。これらの構造の薄膜は、上記2種材料の混合溶液を塗布する事で簡単に得られる利点がある。さらに光電荷生成の起点となるD/A界面積の増加、および電極までの電荷輸送経路が確保される優れた構造であり、近年ではエネルギー変換効率11～12%が報告されている。
しかしながら薄膜形成時に用いる溶媒や熱処理温度で、BHJ(混合)状態が大きく変化し、精密な分子設計により新規高分子を合成しても、BHJ OPVに応用した場合、PCBMとの混合状態により、エネルギー変換効率が非常に悪いことが起こり得る。このように現状では、新規高分子を開発しても、実際にBHJ OPVを作製してみないと効率が分からず、人海戦術、絨毯爆撃のような手法で材料開発が行われている。
上記の背景から、新規材料でBHJ OPVを作製した際に得られるD/A混合状態を判断する簡便な方法が望まれており、本研究では、その方法としてD/A界面で形成されるCharge Transfer(CT)からの有機ELスペクトル(CT EL)解析を提案した。初年度は様々なBHJ OPVの太陽電池特性測定と共にEL測定を同時に行ったところ、AFM上では大きな膜構造の相違が見られない2種類のBHJ膜において、一方の膜からはCT EL、もう一方の膜からはCT ELとPCBMからのELが同時に観測された。これにより本提案での目的であるAFM等では観測できないBHJ相分離構造をEL発光により観測することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
OPV用の新規高分子や市販の高分子の単一成分の薄膜で有機ELを作製し、スペクトル測定を行った。次にBHJ OPVの有機EL駆動により得られるスペクトルを測定し、単一成分とは全く異なるスペクトルが得られれば、界面CT状態からの発光スペクトルと同定できるが、今年度、探索したBHJ OPVでは、ほとんどがCT発光スペクトルのみを示した。一方、興味深い例として、カルバゾール系高分子のBHJ膜において、熱処理を行ったところ、熱処理を行っていない太陽電池よりも、特性が低下したが、AFMによる膜質は熱処理有無で全く変化が無かった。この熱処理有無のBHJ膜のEL測定を行ったところ、熱処理無の膜からはCT ELのみ観測され、熱処理有の膜からは、CT ELとPCBMからのELが観測された。これにより、熱処理によって、AFMでは観測できないレベルでPCBMの凝集体が形成していると予測できる。これにより本研究の目的(I)であった、ELスペクトルを観測するだけで、AFM観察レベル以上の膜構造情報が得ること、を達成した。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は前年度に得られた成果の論文化を行い、実験としては目的(II)である、ドナー/アクセプター界面を人工的に制御し、そのCT ELを解析しCT束縛エネルギーを制御する方法を見出すこと、に着手する。合成研究者の継続的な研究で、長波長吸収高分子(ドナー)が開発され、エネルギー変換効率が劇的に向上した。更なる高効率化には、ドナーあるいはアクセプターの励起子、及びドナー/アクセプター界面のCT励起子を制御する(応用的には自由電荷に解離させる)ことが、重要である。提案段階では、ポリアルキルチオフェンのアルキル鎖の長さを変化させて、チオフェン骨格(ドナー)とフラーレン(アクセプター)の距離を制御し、そのCT状態をELにより観測することを目的としている。上記で計画どおり進まない場合、その他材料系として、様々なアルキル鎖長のペリレンジイミド誘導体(PTCDI-C1, C5, C13など)の真空蒸着膜をアクセプター層として用い、ポリマー骨格との距離を制御する方法を試みる。
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| Causes of Carryover |
研究提案段階では、研究補助員を雇用して研究を進める計画であり、人件費を計上していたが、所属研究機関の運営費交付金により研究補助員が雇用できた為、人件費が変更となったが研究計画には変更はない。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
研究を進めていく上で必要に応じて研究費を執行したため当初の見込み額と執行額は異なったが、研究計画に変更はなく、前年度の研究費も含め、当初予定通りの計画を進めていく。
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